(57)【要約】【課題】高電圧のインバータのＩＧＢＴのスイッチング時の回路電圧の変動により様々なノイズが発生し、各種センサや保護回路に混入する。ノイズが混入すると保護回路が誤動作し、異常が発生しないのに異常を検知した状態になり、その結果、指令部は保護回路からの誤った異常信号により、インバータを停止してしまうという問題があった。【解決手段】ＩＧＢＴの制御信号を生成する指令部と、ＩＧＢＴを制御するゲート回路と、ＩＧＢＴの主電流またはコレクタ電圧を監視する監視回路と、監視回路からの出力が所定の値を超えた時にゲート回路を制御し、指令部に異常を通知する保護回路と、前記保護回路からの異常通知を受け、その回数をカウントするカウント回路とを備え、カウント数が少なくとも２以上になった場合に司令部が異常が発生したと判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主端子対と、主端子対に流れる電流を制御する制御端子とを有する半導体素子と、前記半導体素子の制御信号を生成する司令部と、前記指令部に接続され、前記指令部からの制御信号により前記半導体素子の制御端子に与える信号を制御するゲート回路と、前記主端子対の電流もしくは電圧を監視する監視回路と、前記監視回路からの出力が予め定められた値を超えた時に前記ゲート回路を制御するとともに異常を通知する信号を発生する保護回路と、前記保護回路から信号を受け、その回数をカウントするカウント回路とを有し、
前記司令部が、前記カウント回路のカウント数が少なくとも２以上になった場合に異常が発生したと判定することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
【請求項２】
一対の主端子対と、主端子対に流れる電流を制御する制御端子とを有する半導体素子と、前記半導体素子の制御信号を生成する指令部と、前記指令部に接続され、前記指令部からの制御信号により前記半導体素子の制御端子に与える信号を制御するゲート回路と、前記主端子対の電流もしくは電圧を監視する複数の監視回路と、前記複数の監視回路からの出力が予め定められた値を超えた時に前記ゲート回路を制御するとともに異常を通知する信号を発生する複数の保護回路と、前記複数の保護回路からの信号を受け、その回数をカウントする複数のカウント回路とを有し、
前記指令部が、前記複数のカウント回路のカウント数が、予め各々の保護回路に応じて定められたそれぞれのカウント数に達した時に異常が発生したと判定する事を特徴とする半導体素子の駆動回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体素子の駆動回路において、前記指令部は、異常が発生したと判定した場合に前記半導体素子の制御信号を停止することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３に記載の半導体素子の駆動回路において、前記カウンタ回路は、指令部が異常が発生したと判定した場合に、カウント数がリセットされることを特徴とする半導体素子の駆動回路。
【請求項５】
一対の主端子対と、主端子対に流れる電流を制御する制御端子とを有する半導体素子と、前記半導体素子の主端子対間に逆並列に接続される半導体整流素子と、前記半導体素子の制御端子に接続され、前記半導体素子の制御端子に与える信号を制御するゲート回路と、前記主端子対の電流もしくは電圧を監視する監視回路と、前記監視回路からの出力が予め定められた値を超えた時に前記ゲート回路を制御するとともに異常を通知する信号を発生する保護回路からなる半導体スイッチング回路があり、一対の直流端子間に前記半導体スイッチング回路が２個直列に接続され、前記直列接続される前記半導体スイッチング回路の接続点に設けられた出力端子を有する電力変換ユニットと、前記電力変換ユニットが３個並列に接続され、前記各々の保護回路からの信号を受け、その回数をカウントするカウント回路と、前記半導体素子の各々の制御信号を生成する指令部とからなる半導体電力変換回路において、前記指令部が、前記カウント回路のカウント数が少なくとも２以上になった場合に異常が発生したと判定することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
【請求項６】
一対の主端子対と、主端子対に流れる電流を制御する制御端子とを有する半導体素子と、前記半導体素子の主端子対間に逆並列に接続される半導体整流素子と、前記半導体素子の制御端子に接続され、前記半導体素子の制御端子に与える信号を制御するゲート回路と、前記主端子対の電流もしくは電圧を監視する監視回路と、前記監視回路からの出力が予め定められた値を超えた時に前記ゲート回路を制御するとともに異常を通知する信号を発生する保護回路からなる半導体スイッチング回路があり、一対の直流端子間に前記半導体スイッチング回路が２個直列に接続され、前記直列接続される前記半導体スイッチング回路の接続点に設けられた出力端子を有する電力変換ユニットと、前記電力変換ユニットが３個並列に接続され、前記各々の保護回路からの信号を受け、その回数をカウントするカウント回路と、前記半導体素子の各々の制御信号を生成する指令部とからなる半導体電力変換回路において、前記指令部が、前記カウント回路のカウント数が少なくとも２以上になった場合に異常が発生したと判定することを特徴とする半導体素子の駆動回路を用いた電力変換装置。
【請求項７】
直流架線からの電力を収集する集電器と、収集した直流電力を交流電力に変換する逆変換回路と、変換回路から供給される交流電力により動作する負荷とを有し、前記逆変換回路が、一対の主端子対と、主端子対に流れる電流を制御する制御端子とを有する半導体素子と、前記半導体素子の主端子対間に逆並列に接続される半導体整流素子と、前記半導体素子の制御端子に接続され、前記半導体素子の制御端子に与える信号を制御するゲート回路と、前記主端子対の電流もしくは電圧を監視する監視回路と、前記監視回路からの出力が予め定められた値を超えた時に前記ゲート回路を制御するとともに異常を通知する信号を発生する保護回路からなる半導体スイッチング回路があり、一対の直流端子間に前記半導体スイッチング回路が２個直列に接続され、前記直列接続される前記半導体スイッチング回路の接続点に設けられた出力端子を有する電力変換ユニットと、前記電力変換ユニットが３個並列に接続され、前記各々の保護回路からの信号を受け、その回数をカウントするカウント回路と、前記半導体素子の各々の制御信号を生成する指令部とからなる半導体電力変換回路において、前記指令部が、前記カウント回路のカウント数が少なくとも２以上になった場合に異常が発生したと判定することを特徴とする半導体素子の駆動回路を用いた電力変換装置であることを特徴とする鉄道車輌。
【請求項８】
交流架線からの電力を収集する集電器と、収集した交流電力を直流電力に変換する順変換回路と、順変換回路から出力された直流電力を３相交流電力に変換する逆変換回路と、逆変換回路から供給される交流電力により動作する負荷とを有し、前記逆変換回路及び順変換回路が、一対の主端子対と、主端子対に流れる電流を制御する制御端子とを有する半導体素子と、前記半導体素子の主端子対間に逆並列に接続される半導体整流素子と、前記半導体素子の制御端子に接続され、前記半導体素子の制御端子に与える信号を制御するゲート回路と、前記主端子対の電流もしくは電圧を監視する監視回路と、前記監視回路からの出力が予め定められた値を超えた時に前記ゲート回路を制御するとともに異常を通知する信号を発生する保護回路からなる半導体スイッチング回路があり、一対の直流端子間に前記半導体スイッチング回路が２個直列に接続され、前記直列接続される前記半導体スイッチング回路の接続点に設けられた出力端子を有する電力変換ユニットと、前記電力変換ユニットが３個並列に接続され、前記各々の保護回路からの信号を受け、その回数をカウントするカウント回路と、前記半導体素子の各々の制御信号を生成する指令部とからなる半導体電力変換回路において、前記指令部が、前記カウント回路のカウント数が少なくとも２以上になった場合に異常が発生したと判定することを特徴とする半導体素子の駆動回路を用いた電力変換装置であることを特徴とする鉄道車輌。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流と交流を相互に変換する電力変換装置に係り、特に電力変換装置に使用される半導体素子の駆動技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速のスイッチングが可能で大電力を制御できるＩＧＢＴは、家電用などの小容量インバータから鉄道用などの大容量インバータまで幅広い分野で使われている。ＩＧＢＴをインパークに使う場合には、過電流や過電圧、発熱等でＩＧＢＴが破壊するのを防止するため、駆動回路に様々な保護回路が設けられている場合が多い。これらの保護回路は電流センサなど各種のセンサからの情報を受けて異常を検知し、ＩＧＢＴのゲート回路に信号を送ってＩＧＢＴの電流の制限や遮断等の処理を行う。また、これら保護回路はＩＧＢＴの駆動信号を生成している指令部に異常の発生を伝える構成となっている。
【０００３】
また、特許文献１には、駆動素子の過電流による破壊を防止するとともに、ターンオフ時のサージ電圧発生を確実に防ぐための、電流センス手段と過電流保護回路と緩慢放電回路を有する過電流保護装置が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−３５９５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし上述の駆動回路を鉄道車両用インバータなどの高電圧のインバータに適用した場合には、以下に述べる問題があった。高電圧のインバータは、ＩＧＢＴのスイッチング時に回路の電圧が大きく変動する。この変動により様々なノイズが発生し、これらのノイズが上述した各種センサや保護回路に混入する。ノイズが混入すると保護回路が誤動作し、異常が発生していないにもかかわらず異常を検知した状態になってしまう場合があった。その結果、指令部は保護回路から受けた誤った異常信号により、異常が発生していないにもかかわらず、インバータを停止してしまうと言う問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するために、本発明では、ＩＧＢＴと、ＩＧＢＴの制御信号を生成する指令部と、指令部からの制御信号によりＩＧＢＴを制御するゲート回路と、ＩＧＢＴの主電流もしくはコレクタ電圧を監視する監視回路と、監視回路からの出力が予め定められた値を超えた時にゲート回路を制御するとともに指令部に異常を通知する保護回路と、前記保護回路からの異常を通知する信号を受け、その回数をカウントするカウント回路と、指令部が前記カウント回路のカウント数が少なくとも２以上になった場合に異常が発生したと判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、保護回路からの異常検知の信号が少なくとも２回以上指令部に伝達されないと指令部がインバータを停止しないよう構成されているため、誤検知によるシステムの停止を防止できる。これによりシステムの信頼性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は本発明の第一の実施例の回路図であり、図２は図１の回路を誘導電動機に接続して動作させた場合の動作波形である。図１において、１は指令部、２はゲート回路、３は過電流保護回路、４は電流検出回路、５はＩＧＢＴ、６はダイオード、７はカウンタである。
【０００９】
本実施例の動作を図１と図２を使い説明する。時刻ｔｌで指令部１からの制御信号がハイレベル（以下Ｈレベルと記す）に反転されると、ゲート回路２はこの指令値に従いＩＧＢＴ５のゲート電圧を−Ｖｇｅから＋Ｖｇｅまで増加させる。ゲート電圧は時刻ｔｌから増加するが、時刻ｔ２まではＩＧＢＴのしきい電圧に到達しないためにコレクタ電流は流れない。時刻ｔ２でゲート電圧がＩＧＢＴのしきい電圧付近まで増加するとＩＧＢＴがオンし、コレクタ電流が増加し始める。コレクタ電流はフリーホイールダイオードのリカバリ現象に起因するピーク電流を生じ、その後誘導電動機のインダクタンスにより決まる電流変化率で緩やかに増加してゆく。この時、コレクタ電流値は異常状態での電流に比べて十分に小さいために、過電流保護回路３は動作しない。
【００１０】
次に、時刻ｔ３で何らかの原因によりＩＧＢＴに過電流が流れると、過電流保護回路３の出力がＨレベルに反転する。ゲート回路はこの信号を受けてＩＧＢＴのゲート電圧を−Ｖｇｅまで低下させＩＧＢＴをオフさせようとするが、保護回路の動作遅延などにより時刻ｔ３で直ぐには動作せず、時刻ｔ４にゲート電圧が低下し始める。ゲート電圧が低下するとコレクタ電流は遮断される。
【００１１】
カウンタでは時刻ｔ３に異常を知らせる信号を受け取りカウントを始めるが、１回目の異常信号であるため指令部では異常と見なさず、指令部の出力はオン状態のまま通常通り出力され続ける。時刻ｔ５でコレクタ電流が過電流の検出基準値より少なくなるが、過電流保護回路３は電流が再び増加し発振するのを防ぐため、保護状態を保持し続けるように設定されている。時刻ｔ５からｔ７の期間がその保持期間である。時刻ｔ６になると指令値がオフになるが、既にＩＧＢＴはオフしている。
【００１２】
この状態で指令部は異常を認識していないため、所定の時間の後、時刻ｔ８において必要に応じて再度ＩＧＢＴをオンさせるために指令を出力する。時刻ｔ８で指令が出力されるとＩＧＢＴは再びオンするが、異常が改善していなければ再び過電流が流れる。今度はＩＧＢＴがオンすると同時に時刻ｔ９から過電流が流れ始め、時刻ｔ１０で過電流保護回路３が過電流を検知し、遅延時間の後時刻ｔ１１でＩＧＢＴのオフが始まる。
時刻ｔ１０で過電流が検出されると、カウンタ内部のカウントが２回に達する。すると、指令部は時刻ｔ１０で異常があったことを検知して指令をＬレベルに反転し、指令の出力を止める。この時指令部は同時にカウンタをリセットする。過電流保護回路の出力は、保持期間を経て時刻ｔ１２にリセットされる。時刻ｔ１０で指令信号を停止する場合、望ましくは他の相、他のアームのＩＧＢＴを止めるのが好ましい。例えば３相交流出力インバータのＵ相の下アームのＩＧＢＴで上記動作が発生した場合、対となるＵ相の上アームだけではなく、Ｖ相、Ｗ相のＩＧＢＴも全て停止するのが良い。これにより、致命的な破壊からインバータを救える。
【００１３】
次に、実際には異常が発生していないが、誤って異常が発生したと検出してしまう、いわゆる誤検知の場合の回路動作について図３を使って説明する。時刻ｔ１で指令信号が入力され時刻ｔ２でＩＧＢＴの電流が流れ始めるところまでは図２と同じであるが、図３では異常が発生しないためにコレクタ電流は異常検出レベルに達しない。
【００１４】
ここで、何らかの原因で過電流保護回路の出力がＨレベルに反転し、過電流を検出した状態になった場合を考える。時刻ｔ３で過電流保護回路の出力がＨレベルになると、ゲート回路２は遅延時間を経てＩＧＢＴ５を時刻ｔ４にターンオフさせる。カウンタでは時刻ｔ３にカウントを始める。時刻ｔ５で電流が遮断された後、時刻ｔ６で指令値がＬレベルに反転し、時刻ｔ７で保護回路がリセットされる動作は図２と同じである。
【００１５】
この間、指令部では異常を検知していないため、インパークシステムは停止せずに動いている。次に、所定の時間の後、時刻ｔ８で再び指令部からターンオンの指令が入力された場合、異常動作は発生していないために、過電流保護回路の出力は反転しない。そのため、保護回路は動作せず、ＩＧＢＴの電流は遮断されない。また、カウンタのカウント数も変化しないために指令部の動作も変化せず、インバータは正常動作を続ける。
これに対して従来技術では、時刻ｔ３で指令部に異常の発生が伝達されてしまうため、時刻ｔ３でインバータシステムが停止してしまっていた。
【００１６】
このように、本発明によれば、誤検知が発生してもインバータシステムを停止することなく対処できると言う特徴を持つ。カウンタのカウント数は、指令部が異常を検知しなかった場合に、保持し続けられることになるが、適当なタイミングで定期的にリセットするのが好ましい。例えば、数分から数時間の一定間隔や、インバータシステムを停止した場合などにカウント数をリセットする様に設定しておく。
【００１７】
なお、本実施例ではカウンタのカウント回数を２回としたが、カウント回数を増やすと、より誤検知が発生しにくくなり、ノイズの多い環境でより信頼性を高めることが出来る。例えば、カウンタの内部状態が３回になった場合に指令部に異常を連絡するように構成しておけば、ノイズによる誤動作が頻発する環境下でも確実に誤動作無く保護動作を掛けることが可能となる。
【００１８】
また、本実施例ではＩＧＢＴの電流を検出して保護するいわゆる過電流過電流保護回路もしくは短絡過電流保護回路について説明したが、もちろんこれに限定されるものではなく、ＩＧＢＴのコレクタ電圧を監視する回路やゲート回路の異常を検知する回路、ＩＧＢＴの温度が所定温度以上になった場合に異常を検知する過温度過電流保護回路でも同様の効果を得られる。
【実施例２】
【００１９】
図４は本発明による第２の実施例を示す。図４において図１と同じ構成要素には同一の符号を付してある。図２において８は温度センサ、９は過温度保護回路である。
本実施例の特徴は、指令部が異常と判断するカウント数を、異常検知回路毎に変えている点にある。図４では電流検出回路３と過温度保護回路９からの信号をカウンタ７に入力してカウントする構成としているが、この際、異常を検知するカウント数を、過温度保護回路９からの信号より過電流保護回路からの信号の方を多くしている。電流検出回路はＩＧＢＴのコレクタ電流を監視しているために、ノイズが混入しやすい。
【００２０】
一方、温度センサは電気的にＩＧＢＴと分離されており、ノイズが混入しにくい。このため、過温度保護回路では殆ど誤動作が発生しない。そこで、誤動作の発生しにくい過温度保護回路の異常を判定するカウント数は従来通り１回とし、過電流保護回路はカウント数を２回以上とすることで、検出漏れを最小限に抑えつつ、誤検知を防止できる。
本実施例では、過電流保護回路と過温度保護回路のカウント数をそれぞれ２回、１回としたがもちろんこれに限定されるわけではなく、過電流保護回路の方が過温度保護回路よりもカウント数が大きくなるよう設定すれば同様の効果を得ることが出来る。
【００２１】
また、過電流保護回路と過温度保護回路の組合せに限定されず、異なる検出手段を組み合わせる場合には同様の効果を期待できる。その際、ノイズが混入しやすい方の検出手段に対する異常判定のカウント数を大きめに設定しておく必要がある。
【００２２】
図５に実施例２の変形例を示す。図５において図１乃至４と同じ構成要素には同一の符号を付してある。本変形例では、温度センサの出力を直接指令部に送り、カウンタを通さない点が特徴である。過温度による破壊は過電流による破壊のように短時間（数μｓ〜数十μｓ）で起こらず、数百μＳ〜数秒程度の長い時間で破壊に至る。このため、温度異常を検出してから即座に破壊に至るわけではない。そこで、温度センサの出力を直接指令部に伝達し、間に様々な回路を経由しないことで、途中回路での誤動作を防止し、システムの信頼性を高めることが出来る。
【実施例３】
【００２３】
図６は本発明による第３の実施例である。図６において１０は本発明による保護回路の誤動作防止機能を搭載したゲートドライバ、１１は直流端子、１２は交流端子、１３はカウンタを搭載した指令部である。本実施例の特徴は、本発明によるゲートドライバを２レベルインバータの３相のＩＧＢＴのそれぞれに適用し、インバータ内のいずれか一つのＩＧＢＴからの異常信号で指令部が異常を判定した場合にすべてのＩＧＢＴを停止する点にある。図６に示すように、一般的な３相２レベルインバータではゲートドライバを６個使う。このため、ゲートドライバの保護回路が誤動作する確率も、単体の場合の６倍になる。従来のゲートドライバではいずれかのゲートドライバで一度でも誤検知が起こると、指令部がすべてのＩＧＢＴを停止してしまったために、高い頻度でインバータの誤停止が起きていた。
【００２４】
本発明を適用したゲートドライバを適用すると、本発明を適用したゲートドライバを適用すると、誤動作が発生しなくなるために、インバータの誤停止が起こらなくなり、システムの安定性が向上する。なお、本実施例では直流を交流に変換するインバータを例に説明したが、もちろん交流を直流に変換するコンバータでも同様の効果を得ることが出来る。
【実施例４】
【００２５】
図７は本発明による第４の実施例である。図７において２０は指令部、２１は過電流保護回路誤動作防止機能付コンバータ、２２は過電流保護回路誤動作防止機能付インバータ、２３はモーター、２４は車輪、２５は平滑コンデンサ、２６は変圧器、２７は集電器、２８は車体、２９は架線である。本実施例の特徴は、本発明を適用した過電流保護回路誤動作防止機能付のインバータ及びコンバータを鉄道車両に搭載した点にある。
【００２６】
鉄道車両では図７に示す回路構成が一両分を表しており、通常はこれが一つの編成に複数台連結されて走行している。従って、一つの編成に搭載されている保護回路は数十台から数百台にもなる。この中で一つでも保護回路が誤動作すると、指令部は車両単位でコンバータ・インバータを停止するために、一両分の駆動力が失われ、列車の遅延なとの問題を引き起こす。また、一度異常が検知されると、その車両を速やかに車庫に送って点検する必要があり、車両運営の上からも大きな問題となる。本発明を適用したインバータ及びコンバータを搭載すると誤検知が発生しないため、列車の遅延や車両点検の必要が無くなり、信頼性の高い鉄道システムを構築できるという効果がある。
【００２７】
なお、本実施例では鉄道システムを例に挙げて本発明の効果を説明したが、同様に電気自動車用のインバータでも効果を得ることが出来る。以上、本発明をＩＧＢＴインバータに適用した事例について説明したが、もちろんこれに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴを使ったインバータ関しても同様の効果を得ることが可能であるのは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例である。
【図２】インバータの異常動作時の波形である。
【図３】インバータの正常動作時の動作波形である。
【図４】本発明の第２の実施例である。
【図５】本発明の第２の実施例の変形例である。
【図６】本発明の第３の実施例である。
【図７】本発明の第４の実施例である。
【符号の説明】
【００２９】
１    指令部
２    ゲート回路
３    過電流保護回路
４    電流検出回路
５    ＩＧＢＴ
６    ダイオード
７    カウンタ
８    温度センサ
９    過温度保護回路
１０    保護回路誤動作防止機能搭載ゲートドライバ
１１    直流端子
１２    交流端子
１３    カウンタ搭載指令部
２０    指令部
２１    過電流保護回路誤動作防止機能付コンバータ
２２    過電流保護回路誤動作防止機能付インバータ
２３    モーター
２４    車輪
２５    平滑コンデンサ
２６    変圧器
２７    集電器
２８    車体
２９    架線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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